I 1912 var Kolehmainen med tre gull og en sølv blant de mestvinnende utøverne under de olympiske lekene i Stockholm. Den ypperste prestasjonen leverte han i -meterløpet, der publikum fikk oppleve Kolehmainens spennende tvekamp med franskmannen Jean Bouin. Etter at de to løperne hadde ligget fremst i feltet under hele løpet, avgjorde Kolehmainen løpet på de siste metrene, og satte ny verdensrekord med tiden 14.36,6. I tillegg vant Kolehmainen m og terrengløpet over meter. Han var også med på det finske laget som fikk sølv i lagdelen av terrengløpet.